DE60312677T2 - FUEL CELLS OXYGEN REMOVAL AND PREPARATION SYSTEM - Google Patents

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Abstract

A fuel cell having an anode, a cathode and an ion exchange membrane is supplied by hydrogen fuel through an anode fuel delivery conduit. A recirculation loop is provided to recycle gases in the fuel delivery conduit to a mixing point where a controlled flow rate of fuel is supplied and mixed therewith. Any oxidant species remaining in the fuel delivery conduit are thereby combusted in a controlled manner to avoid damage to the fuel cell membrane-electrode assembly. Small quantities of oxidant may be deliberately introduced into the fuel delivery conduit to generate water vapor and heat to pre-condition the fuel delivered to the anode. Such preconditioning assists in hydration control of the membrane, and temperature control of the membrane-electrode assembly for optimum fuel cell performance.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zum kontrollierten Entfernen von Oxidationsmitteln aus einem Brennstoffzellenbrennstoffversorgungsstrom.The The present invention relates to fuel cells, and more particularly to methods and apparatus for the controlled removal of oxidants from a fuel cell fuel supply stream.

Konventionelle elektrochemische Brennstoffzellen wandeln Brennstoffe und Oxidationsmittel in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt um. Eine typische Auslegung einer konventionellen Brennstoffzelle 10 ist in 1 gezeigt, die zwecks Klarheit die verschiedenen Schichten in einer Explosionszeichnung zeigt. Eine Festpolymerionenaustauschmembran 11 ist zwischen einer Anode 12 und einer Kathode 13 angeordnet. Die Polymermembran erlaubt es Protonen, über die Membran hinweg zu treten, aber blockiert die Passage von Elektronen. Typischerweise sind die Anode 12 und die Kathode 13 beide aus einem elektrisch leitfähigen, porösem Material, wie beispielsweise porösem Kohlenstoff, ausgebildet, an das kleine Teilchen aus Platin und/oder anderen Edelmetallkatalysatoren angebunden sind. Die Anode 12 und die Kathode 13 sind oft direkt an die jeweils benachbarte Oberfläche der Membran 11 angebunden. Diese Kombination wird gemeinhin als Membran-Elektroden-Anordnung oder MEA bezeichnet.Conventional electrochemical fuel cells convert fuels and oxidants into electrical energy and a reaction product. A typical design of a conventional fuel cell 10 is in 1 shown showing the various layers in an exploded view for clarity. A solid polymer ion exchange membrane 11 is between an anode 12 and a cathode 13 arranged. The polymer membrane allows protons to pass across the membrane but blocks the passage of electrons. Typically, the anode 12 and the cathode 13 both formed of an electrically conductive, porous material, such as porous carbon, to which are bound small particles of platinum and / or other noble metal catalysts. The anode 12 and the cathode 13 are often directly adjacent to the respective adjacent surface of the membrane 11 tethered. This combination is commonly referred to as membrane electrode assembly or MEA.

Außen auf der Polymermembran und den porösen Elektrodenschichten sind eine Anodenfluidflussfeldplatte 14 und eine Kathodenfluidflussplatte 15 angeordnet. Die Fluidflussfeldplatten 14, 15 sind aus einem elektrisch leitfähigen, nichtporösen Material ausgebildet, über das die jeweilige Anodenelektrode 12 oder Kathodenelektrode 13 elektrisch kontaktiert werden kann. Zur selben Zeit müssen die Fluidflussfeldplatten in der Lage sein, die Zufuhr und/oder Abfuhr von fluidem Brennstoff, Oxidationsmittel und/oder Reaktionsprodukten (und/oder anderen verdünnenden Gasen, die an der Reaktion nicht teilhaben) zu oder von den porösen Elektroden zu ermöglichen. Dies wird konventioneller Weise durch Ausbilden von Fluidflusspassagen in einer Oberfläche der Fluidflussfeldplatten bewirkt, wie beispielsweise Nuten oder Kanäle 16 in der Oberfläche, die den porösen Elektroden zugekehrt ist.Externally on the polymer membrane and the porous electrode layers are an anode fluid flow field plate 14 and a cathode fluid flow plate 15 arranged. The fluid flow field plates 14 . 15 are formed of an electrically conductive, non-porous material through which the respective anode electrode 12 or cathode electrode 13 can be contacted electrically. At the same time, the fluid flow field plates must be capable of allowing the supply and / or removal of fluid fuel, oxidant and / or reaction products (and / or other diluent gases that do not participate in the reaction) to or from the porous electrodes. This is accomplished conventionally by forming fluid flow passages in a surface of the fluid flow field plates, such as grooves or channels 16 in the surface facing the porous electrodes.

2 zeigt eine Draufsicht auf einen typischen Fluidflusskanal 16, der als eine Serpentinenstruktur 20 in einer Seite der Anode 14 (oder Kathode) angeordnet ist und einen Einlassanschluss 21 und einen Auslassanschluss 22 aufweist. Viele verschiedene Konfigurationen des Fluidflusskanals können verwendet werden. 2 shows a plan view of a typical fluid flow channel 16 as a serpentine structure 20 in one side of the anode 14 (or cathode) is arranged and an inlet port 21 and an outlet port 22 having. Many different configurations of the fluid flow channel can be used.

In einer typischen Anwendung wird bei der Anodenfluidflussfeldplatte 14 Wasserstoffgas durch den Einlassanschluss 21 in den Serpentinenkanal 20 eingelassen. Bei der Kathodenfluidflussplatte 15 wird Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoffgas) von dem Einlassanschluss in den Serpentinenkanal 20 eingelassen.In a typical application, the anode fluid flow field plate becomes 14 Hydrogen gas through the inlet port 21 in the serpentine canal 20 admitted. At the cathode fluid flow plate 15 becomes oxidant (eg, oxygen gas) from the inlet port into the serpentine channel 20 admitted.

Vor dem Anfahren einer Brennstoffzelle 10 nach dem ersten Zusammenbau, der ersten Zusammenstellung, einer Reparatur, längeren Zeiträumen von Inaktivität oder Standby, kann eine Akkumulierung von Luft in den Brennstoffflusskanälen und den Brennstoffversorgungsleitungen auftreten, d. h. allgemein innerhalb des Brennstoffversorgungspfads der Brennstoffzelle. Es besteht deshalb eine Notwendigkeit, diese Luft zu entfernen, genauer gesagt, den Sauerstoff in der Luft aus dem Anodenbrennstoffversorgungspfad zu entfernen, bevor irgendwelcher Sauerstoffbrennstoff oder eine sauerstoffreiche Gasmischung der Anode 12 und der Membran 11 zugeführt wird.Before starting up a fuel cell 10 After the first assembly, initial assembly, repair, longer periods of inactivity or standby, accumulation of air may occur in the fuel flow channels and the fuel supply lines, ie, generally within the fuel supply path of the fuel cell. There is therefore a need to remove this air, more specifically, to remove the oxygen in the air from the anode fuel supply path before any oxygen fuel or oxygen-rich gas mixture of the anode 12 and the membrane 11 is supplied.

Diese Entfernung von Sauerstoff vor dem Zuführen von Brennstoff ist wichtig, um eine unerwünschte unkontrollierte katalytische Verbrennung zu verhindern, die an der Oberfläche der Anode 14 auftritt und in lokale Erhitzung, Dehydrierung und mögliche Punktion der Protonenaustauschmembran 11 resultiert.This removal of oxygen prior to delivery of fuel is important to prevent unwanted uncontrolled catalytic combustion occurring at the surface of the anode 14 occurs and in local heating, dehydration and possible puncture of the proton exchange membrane 11 results.

Im Stand der Technik ist es allgemeine Praxis, die Anodenkanäle 16 und andere Teile der Brennstoffversorgungsleitungen durch Hindurchleiten eines inerten Gases, wie beispielsweise Stickstoff, für einen Zeitraum vor der Einleitung von Wasserstoffbrennstoff zu spülen.In the prior art, it is common practice to use the anode channels 16 and purging other parts of the fuel supply lines by passing an inert gas, such as nitrogen, for a period of time prior to the introduction of hydrogen fuel.

Dieser Prozess erfordert eine lokale Versorgung mit Stickstoff, der allgemein in einem Druckzylinder enthalten ist, und ihren periodischen Ersatz. Es ist wünschenswert, dieses Erfordernis zu beseitigen und dadurch die Betriebs- und Wartungsbedürfnisse des Systems zu vereinfachen. Dies ist insbesondere wichtig, wenn die Brennstoffzelle bereits im Feld installiert ist, z. B. als Teil eines Antriebssystems eine Fahrzeugs, wo die Zugänglichkeit für ein Spülgases und tatsächlich die Zugänglichkeit der Brennstoffzelle beschränkt sein mag.This Process requires a local supply of nitrogen, the general contained in a printing cylinder, and their periodic replacement. It is desirable to eliminate this requirement and thereby the operating and maintenance needs of the Simplify system. This is especially important if the Fuel cell is already installed in the field, z. B. as part a propulsion system of a vehicle, where the accessibility of a purge gas and indeed the accessibility the fuel cell limited may be.

Die WO 01/39310 offenbart ein Betriebssystem für ein direkt Kälteschutzmittel gekühltes Brennstoffzellenkraftwerk zum Erzeugen elektrischer Energie durch Reduzieren und Verarbeiten von Oxidationsmittelfluid-/Reaktionsmittelströmen. Das System umfasst eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle, die durch Wasserstoff versorgt wird, der durch einen Reformer und einen Brenner zum Verarbeiten von Kohlenwasserstoffbrennstoff versorgt wird. Eine Anodenabgaspassage empfängt einen aus der Brennstoffzelle austretenden Anodenabgasstrom, der dann über einen Wärmetauscher, welcher an den Ausgang des Reformers angeschlossen ist, einem Brenner zugeführt wird.WO 01/39310 discloses an operating system for a direct cryoprotectant-cooled fuel cell power plant for generating electrical energy by reducing and processing oxidant fluid / reactant streams. The system comprises a proton exchange membrane fuel cell powered by hydrogen supplied by a reformer and a burner for processing hydrocarbon fuel. An anode exhaust passage receives an anode exhaust stream exiting the fuel cell, which then passes through a heat exchanger connected to the exit of the reformer. a burner is supplied.

Die JP 1 124 962 offenbart ein Alkalielektrolytbrennstoffzellensystem, bei dem eine Brennstoffzelle durch Verbrennen von Wasserstoff und Sauerstoff in einem katalytischen Brenner, der an einen Wasserstoffzirkulationskreislauf angeschlossen ist, Spülen von Stickstoffgas in die Brennstoffzelle und Ersetzen durch Reaktionsgas vorgeheizt wird.The JP 1 124 962 discloses an alkaline electrolyte fuel cell system in which a fuel cell is preheated by combusting hydrogen and oxygen in a catalytic burner connected to a hydrogen circulation circuit, purging nitrogen gas into the fuel cell, and replacing with reaction gas.

Die JP 5089899 offenbart eine Schmelzcarbonatbrennstoffzelle vom Typ mit internem Reformer, bei der mindestens ein Teil des Brennstoffs durch einen katalytischen Brenner verbrannt wird, der Verbrennungsgas sowohl zu der Anoden- als auch der Katodenseite der Brennstoffzelle liefert.The JP 5089899 discloses an internal reforming type fuel cell fuel cell in which at least a portion of the fuel is combusted by a catalytic combustor that provides combustion gas to both the anode and cathode sides of the fuel cell.

Die WO 01/97310 offenbart einen katalytischen Befeuchter und Heizer für eine Wasserstoffbrennstoffzelle, die eine Protonenaustauschmembran verwendet. Luft und Wasserstoff werden einem katalytischen Reaktor zugeführt, wodurch erwärmte angefeuchtete Luft erzeugt wird, die dann durch den Brennstoffzellenstapel strömt.The WO 01/97310 discloses a catalytic humidifier and heater for one Hydrogen fuel cell using a proton exchange membrane. Air and hydrogen are fed to a catalytic reactor, whereby heated moistened Air is generated, which then flows through the fuel cell stack.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein bequemes Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Sauerstoff aus den Brennstoffversorgungsleitungen einer elektrochemischen Brennstoffzelle bereitzustellen.It It is an object of the present invention to provide a convenient method and a device for removing oxygen from the fuel supply lines to provide an electrochemical fuel cell.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, durch die die Entfernung von Sauerstoff aus den Brennstoffversorgungsleitungen einer elektrochemischen Brennstoffzelle automatisch bewirkt werden kann.It Another object of the present invention is a device through which the removal of oxygen from the Fuel supply lines of an electrochemical fuel cell can be automatically effected.

Ein weiteres Problem, das mit dem Anfahren von Brennstoffzellen verbunden ist, ist, dass die Membran-Elektroden-Anordnung allgemein nur dann mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet, nachdem sie eine ideale Betriebstemperatur und ein ideales Maß an Befeuchtung der Membran erreicht hat. Konventionell wird ein solcher optimaler Wirkungsgrad erst nach einem Zeitraum des Betriebs der Brennstoffzelle erreicht.One Another problem associated with the startup of fuel cells is, is that the membrane electrode assembly generally only with Optimum efficiency works after having an ideal operating temperature and an ideal level Humidification of the membrane has reached. Conventionally, such becomes optimum efficiency only after a period of operation of the Fuel cell reached.

Es ist ein weiteres Zielt der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, durch die ein Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelgasstrom vorkonditioniert wird, um die Befeuchtung der Membran-Elektroden-Anordnung zu beschleunigen und/oder um das Aufwärmen der Membran-Elektroden-Anordnung auf einen optimalen Betriebszustand hin zu beschleunigen.It is another object of the invention to provide a device by preconditioning a fuel and / or oxidant gas stream, to speed up the humidification of the membrane-electrode assembly and / or warming up the membrane-electrode assembly to accelerate to an optimal operating state.

Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem bereit mit:
einer Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Ionenaustauschmembran aufweist;
einer Brennstoffzuführungsleitung, welche
eine Fluidströmungsfeldplatte, die einen Teil der Anode ausbildet und einen Fluidströmungskanal, der sich durch sie hindurch erstreckt, aufweist;
einen Brennstoffzufuhreinlass, der an ein Ende des Fluidströmungskanals angeschlossen ist;
einen Brennstoffzufuhrauslass, der an ein anderes Ende des Fluidströmungskanals angeschlossen ist; und
einen Fluidströmungsregler zum kontrollierten Variieren der Menge an Brennstoff, die einem Mischpunkt in dem Brennstoffzufuhreinfass zugeführt wird, umfasst,
wobei das Brennstoffzellensystem weiterhin eine Rückführungsleitung umfasst, die sich zwischen dem Brennstoffzufuhrauslass und Mischpunkt erstreckt, wobei der Mischpunkt entweder (i) eine Reaktionskammer zum Reagieren von Brennstoff oder (ii) eine Vormischkammer zum Mischen von Brennstoff von dem Fluidströmungsregler mit Oxidationsmittelspezies aus der Rückführungsleitung umfasst.
In one aspect, the present invention provides a fuel cell system comprising:
a fuel cell having an anode, a cathode, and an ion exchange membrane disposed therebetween;
a fuel supply line, which
a fluid flow field plate forming part of the anode and having a fluid flow passage extending therethrough;
a fuel supply inlet connected to one end of the fluid flow passage;
a fuel supply outlet connected to another end of the fluid flow passage; and
a fluid flow regulator for controllably varying the amount of fuel supplied to a mixing point in the fuel supply tube;
wherein the fuel cell system further comprises a recirculation line extending between the fuel supply outlet and mixing point, the mixing point comprising either (i) a reaction chamber for reacting fuel or (ii) a premixing chamber for mixing fuel from the fluid flow regulator with oxidizer species from the recycle line.

Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Ionenaustauschmembran bereit, das die Schritte aufweist:
Zuführen von Brennstoff aus einer Brennstoffquelle an einen aktiven Oberflächenbereich der Anode mittels einer Brennstoffzuführleitung;
Rückführen von Fluid innerhalb der Fluidzufuhrleitung an einen Mischpunkt stromauf des aktiven Oberflächenbereichs der Anode;
Bewirken einer kontrollierten Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittelspezies innerhalb der Brennstoffzufuhrleitung an dem Mischpunkt in einer Reaktionskammer.
In another aspect, the present invention provides a method of operating a fuel cell having an anode, a cathode, and an ion exchange membrane disposed therebetween, comprising the steps of:
Supplying fuel from a fuel source to an active surface area of the anode via a fuel supply line;
Returning fluid within the fluid delivery conduit to a mixing point upstream of the active surface area of the anode;
Effecting controlled combustion of fuel and oxidant species within the fuel feed line at the mixing point in a reaction chamber.

Ausführungsformen der neuen Erfindung werden jetzt als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:embodiments of the new invention will now be given by way of example and with reference on the attached Drawings in which:

1 eine Querschnittsexplosionszeichnung einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik ist; 1 is a cross-sectional explosion drawing of a fuel cell according to the prior art;

2 eine Draufsicht auf eine Fluidflussfeldplatte in der Brennstoffzelle gemäß 1 ist; 2 a plan view of a fluid flow field plate in the fuel cell according to 1 is;

3 ein schematisches Diagramm einer ersten Anordnung eines Sauerstoffentfernungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist; 3 Fig. 12 is a schematic diagram of a first arrangement of an oxygen removal system according to the present invention;

4 ein schematisches Diagramm einer zweiten Anordnung eines Sauerstoffentfernungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist; 4 Fig. 12 is a schematic diagram of a second arrangement of an oxygen removal system according to the present invention;

5 ein schematisches Diagramm eines Vorkonditioniersystems zur kontrollierten Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittel in einer Brennstoffversorgungsleitung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und 5 a schematic diagram of a preconditioning system for controlled burning tion of fuel and oxidizer in a fuel supply line according to the present invention; and

6 ein schematisches Diagramm eines weiteren Vorkonditioniersystems zum kontrollierten Verbrennen von Brennstoff und Oxidationsmittel in einer Brennstoffversorgungsleitung gemäß der vorliegenden Erfindung ist. 6 FIG. 12 is a schematic diagram of another preconditioning system for controlled burning of fuel and oxidant in a fuel supply line according to the present invention. FIG.

Ein Verfahren, die Sauerstoffentfernung aus dem Brennstoffversorgungspfad zu erreichen, ist es, den Sauerstoff in einer kontrollierten katalytischen Verbrennung von Wasserstoff außerhalb der Brennstoffzelle zu verwenden.One Method, oxygen removal from the fuel supply path It is to achieve the oxygen in a controlled catalytic combustion of hydrogen outside to use the fuel cell.

Unter Bezugnahme auf 3 ist eine Brennstoffzelle 10 an Brennstoffversorgungsleitungen 30, 31 und Oxidationsmittel-/Abgasleitungen 32, 33 angeschlossen. Die Brennstoffversorgungsleitungen 30 bzw. 31 stellen einen Einlass 30 und einen Auslass 31 für ein Zuführen zu und Entfernen von der Anodenfluidflussfeldplatte 14 (1) bereit, während die Oxidationsmittelversorgungsleitung 32 eine Zufuhr des Oxidationsmittels zu einem Einlassende der Kathodenfluidflussfeldplatte 15 bereitstellt und die Abgasleitung 33 einen Auslass zum Abführen von nicht verwendetem Oxidationsmittel und Reaktionsprodukten von der Kathode bereitstellt.With reference to 3 is a fuel cell 10 on fuel supply lines 30 . 31 and oxidizer / exhaust pipes 32 . 33 connected. The fuel supply lines 30 respectively. 31 make an inlet 30 and an outlet 31 for supplying to and removing from the anode fluid flow field plate 14 ( 1 ) while the oxidant supply line 32 a supply of the oxidant to an inlet end of the cathode fluid flow field plate 15 provides and the exhaust pipe 33 provides an outlet for removing unused oxidant and reaction products from the cathode.

Eine Brennstoffversorgung (z. B. Wasserstoff) ist an einen Systemeinlass 34 angeschlossen, der zu einer Reaktionskammer 35 führt. Eine Rückführschleife 36 erstreckt sich zwischen dem Auslass 31 und der Reaktionskammer. Die Rückführkammer 36 umfasst eine Pumpe 37 und kann unter Verwendung eines Zweiwegeventils 38 eingeschaltet werden.A fuel supply (eg, hydrogen) is connected to a system inlet 34 connected to a reaction chamber 35 leads. A return loop 36 extends between the outlet 31 and the reaction chamber. The return chamber 36 includes a pump 37 and can be done using a two-way valve 38 be turned on.

Die Reaktionskammer 35 enthält ein geeignetes katalytisches Material, das auf einem Träger verteilt ist, um gemäß im Stand der Technik gut bekannten Techniken die Entfernung von hindurch tretenden Oxidationsmitteln zu ermöglichen. Derzeit bevorzugte katalytische Materialien umfassen Edelmetalle, wie beispielsweise Platin oder Aluminiumlegierungen, die auf einem keramischen Träger, wie beispielsweise Aluminiumoxyd, verteilt sind.The reaction chamber 35 contains a suitable catalytic material distributed on a support to facilitate removal of passing oxidants according to techniques well known in the art. Presently preferred catalytic materials include precious metals such as platinum or aluminum alloys dispersed on a ceramic support such as alumina.

In einem normalen Betriebsmodus wird der Brennstoffzelle ein Wasserstoffbrennstoff über den Systemeinlass 34, vorzugsweise über einen Durchflussregler oder ein Messventil 39 bereitgestellt. Der Wasserstoffbrennstoff tritt in den Einlassanschluss 21 und die Anodenfluidflussfeldplatte 14 (1) ein, wo er zumindest teilweise verbraucht wird. Jeglicher nicht verbrauchter Brennstoff oder jegliches inertes Verdünnungsfluid aus der Brennstoffversorgung kann über einen Brennstoffsystemauslass 22 ausgeblasen werden, wenn das Zweiwegeventil 38 in eine Ausblasstellung geschaltet ist.In a normal operating mode, the fuel cell becomes a hydrogen fuel via the system inlet 34 , preferably via a flow regulator or a metering valve 39 provided. The hydrogen fuel enters the inlet port 21 and the anode fluid flow field plate 14 ( 1 ), where it is at least partially consumed. Any unused fuel or inert dilution fluid from the fuel supply may be via a fuel system outlet 22 be blown out when the two-way valve 38 is connected in a blow-out.

Wenn festgestellt wird, dass der Anoden-(Brennstoff-)Strom kontaminiert ist, oder wenn der Verdacht besteht, dass er durch Oxidationsmittelfluid kontaminiert ist, wird das System in einen Rückführbetriebsmodus geschaltet. In dieser Konfiguration wird das Zweiwegeventil 38 so geschaltet, dass der Brennstoffzellenauslass 31 an die Rückführschleife 36 angeschlossen ist. Falls es notwendig ist, die Fluidzirkulation aufrecht zu erhalten, wird die Rückführpumpe 37 eingeschaltet. Auf diese Weise wird der Anodenfluidstrom zurückgeführt, wobei er durch die Reaktionskammer 35 tritt, wo die Oxidationsmittelspezies von dem Fluidstrom entfernt werden, vorzugsweise durch Reaktion mit einer kontrollierten Zufuhr von Wasserstoffgas von dem Brennstoffsystemeinlass 34 und dem Durchflussregler 39.If it is determined that the anode (fuel) stream is contaminated, or if it is suspected to be contaminated by oxidant fluid, the system is switched to a recycle mode of operation. In this configuration, the two-way valve 38 switched so that the fuel cell outlet 31 to the return loop 36 connected. If it is necessary to maintain the fluid circulation, the return pump becomes 37 switched on. In this way, the anode fluid stream is recycled, passing through the reaction chamber 35 occurs where the oxidant species are removed from the fluid stream, preferably by reaction with a controlled supply of hydrogen gas from the fuel system inlet 34 and the flow regulator 39 ,

Auf diese Weise wird die Verbrennung von Wasserstoff und Oxidationsmittelspezies nur in der Reaktionskammer 35 und nicht in der Brennstoffzelle 10 bewirkt.In this way, the combustion of hydrogen and oxidant species only in the reaction chamber 35 and not in the fuel cell 10 causes.

Der Rückführungsbetriebsmodus kann gemäß jedem gewünschten vorherrschenden Zustand gestartet werden. Diese Zustände können jeden einzelnen oder mehrere der folgenden umfassen: (i) automatische Erkennung von Oxidationsmittel in dem Brennstoffversorgungsleitungseinlass 30 und/oder -auslass 31 mittels eines geeigneten Sensormechanismus (wird später beschrieben); (ii) automatische Detektion eines Zeitraums der Nichtverwendung der Brennstoffzelle, der einen vorgegebenen verstrichene Zeit-Grenzwert überschreitet; (iii) automatische Detektion eines Zeitraums der Verwendung der Brennstoffzelle, der einen vorgegebenen verstrichene Zeit-Grenzwert überschreitet; (iv) automatische Detektion eines Servicezustands, d. h. nach Detektion eines Brennstoffzellenwartungszustands; und (v) manuelle Initiierung durch einen Benutzer.The return operation mode may be started according to any desired prevailing condition. These conditions may include any one or more of the following: (i) automatic detection of oxidant in the fuel supply line inlet 30 and / or outlet 31 by means of a suitable sensor mechanism (described later); (ii) automatically detecting a period of non-use of the fuel cell that exceeds a predetermined elapsed time limit; (iii) automatically detecting a period of use of the fuel cell that exceeds a predetermined elapsed time limit; (iv) automatic detection of a service condition, ie after detection of a fuel cell maintenance condition; and (v) manual initiation by a user.

Während des Rückführmodus können die Gase in der Brennstoffzelle über die Rückführschleife 36 und durch die Reaktionskammer 35, in die Wasserstoffgas in einer kontrollierten Weise eingeführt wird, im Kreis geführt werden, bis sämtlicher unerwünschter Sauerstoff eliminiert ist. Dieser Rückführmodus kann automatisch für einen vorgegebenen Zeitraum anhalten, oder er kann bis zur Detektion einer Reduktion von unerwünschten Oxidationsmittelspezies unter einen vorgegebenen Grenzwert automatisch fortgesetzt werden. Alternativ kann die Dauer des Rückführmodus manuell durch den Benutzer gesteuert werden.During the recirculation mode, the gases in the fuel cell can pass through the return loop 36 and through the reaction chamber 35 into which hydrogen gas is introduced in a controlled manner, are recirculated until all unwanted oxygen is eliminated. This recycle mode may automatically stop for a predetermined period of time, or it may be automatically resumed until a reduction of undesirable species of oxidant below a predetermined threshold is detected. Alternatively, the duration of the return mode may be manually controlled by the user.

Die abgemessene Zufuhr von Wasserstoffbrennstoff von dem Strömungsregler 39 stellt sicher, dass die Verbrennung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels auf das Volumen der Reaktionskammer 35 beschränkt ist, und dass keine Verbrennung innerhalb der Brennstoffzelle selbst erfolgt.The metered supply of hydrogen fuel from the flow regulator 39 Ensures that the combustion of the fuel and the oxidant on the volume of Reaktionskam mer 35 is limited, and that no combustion takes place within the fuel cell itself.

Die Anwesenheit einer Oxidationsmittelspezies in den Brennstoffversorgungsleitungen und in den Anodenleitungen kann durch eine Anzahl von Verfahren detektiert werden. Eine niedrige Spannung über dem lastfreien Brennstoffzellenstapel 10 nahe null ist oft ein guter Indikator der Anwesenheit von Sauerstoff auf der Anodenelektrodenseite. Nachdem dieser Sauerstoff im Wesentlichen entfernt worden ist, wird der Wasserstoff durch das Reaktionsbett hindurch und an die Brennstoffzellenanodenoberfläche heran treten, wodurch er die Spannung ohne Last erhöht und auf eine erfolgreiche Sauerstoffeliminierung hinweist.The presence of an oxidant species in the fuel supply lines and in the anode lines can be detected by a number of methods. A low voltage across the no-load fuel cell stack 10 near zero is often a good indicator of the presence of oxygen on the anode electrode side. After this oxygen has been substantially removed, the hydrogen will pass through the reaction bed and onto the fuel cell anode surface, thereby increasing the stress-free stress and indicating successful oxygen elimination.

So wird in einer derzeit bevorzugten Ausführungsform vor dem Betrieb der Brennstoffzelle die Spannung ohne Last getestet. Wenn diese Spannung ohne Last niedriger als ein vorgegebener Grenzwert ist, bestimmt das System, dass vor dem Eintreten in einen normalen Betriebsmodus ein Rückführbetriebsmodus unter Verwendung eines geringen Stroms an Wasserstoffversorgung gestartet werden sollte. In einer weiteren Ausführungsform wird die Spannung ohne Last während des Rückführmodus kontinuierlich überwacht, bis die Spannung ohne Last einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.So In a presently preferred embodiment, prior to operation the fuel cell tested the voltage without load. If those Voltage without load is lower than a predetermined limit, The system determines that before entering a normal operating mode a return mode of operation using a low current of hydrogen supply should be started. In another embodiment, the voltage without load during of the return mode continuously monitored, until the voltage without load exceeds a predetermined limit.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Sauerstoffniveau durch Überwachen der Temperatur der Reaktionskammer oder eines Auslasses derselben unter Verwendung eines geeigneten Thermoelements oder eines temperaturabhängigen Widerstands überwacht werden. Während des Zeitraums, in dem Sauerstoff mit Brennstoff in der Reaktionskammer reagiert wird, wird die Temperatur der Reaktionskammer oder des Gasstroms, der aus der Reaktionskammer austritt, ansteigen. Wenn dieser Temperaturanstieg endet, die Temperatur zu fallen beginnt oder der Temperaturanstieg unter eine vorgegebene Anstiegsrate absinkt, kann festgestellt werden, dass das Sauerstoffniveau unter einen geeigneten Grenzwert reduziert wurde, was darauf hinweist, dass die Brennstoffzelle in einen normalen Betriebsmodus gebracht werden kann.In a further embodiment can monitor the oxygen level by monitoring the temperature of the reaction chamber or an outlet thereof monitored using a suitable thermocouple or temperature dependent resistor become. While the period in which oxygen enters with fuel in the reaction chamber is reacted, the temperature of the reaction chamber or the Gas stream emerging from the reaction chamber, rise. If this temperature rise ends, the temperature begins to fall or the temperature rise drops below a predetermined rate of increase, can be found that the oxygen level below a appropriate limit has been reduced, indicating that the fuel cell is brought into a normal operating mode can.

Nachdem der Sauerstoff entfernt worden ist, können die Wasserstoffflussraten auf solche Niveaus erhöht werden, die mit der normalen Stromversorgung durch die Brennstoffzelle konsistent sind und der normale Betrieb kann beginnen.After this the oxygen has been removed, can the hydrogen flow rates increased to such levels be with the normal power supply through the fuel cell are consistent and normal operation can begin.

Bezug nehmend auf 4 ist es ein alternatives Verfahren, die Sauerstoffentfernung von dem Brennstoffversorgungspfad zu erreichen, dass der Sauerstoff bei einer kontrollierten Verbrennung von Wasserstoff innerhalb der Brennstoffzelle verwendet wird.Referring to 4 For example, an alternative method of achieving oxygen removal from the fuel supply path is to use the oxygen in a controlled combustion of hydrogen within the fuel cell.

Bei dieser Ausführungsform ist die Reaktionskammer 35 entfernt und die Rückführschleife 36 führt den zurückgeführten Gasstrom zu einem Mischpunkt 40, wo er mit dem kontrollierten geringen Strom an Wasserstoffbrennstoff von dem Brennstoffsystemeinlass 34 und dem Durchflussregler 39 gemischt wird.In this embodiment, the reaction chamber 35 removed and the return loop 36 returns the recirculated gas stream to a mixing point 40 where he uses the controlled low flow of hydrogen fuel from the fuel system inlet 34 and the flow regulator 39 is mixed.

Vorzugsweise weist der Mischpunkt 40 eine Vormischkammer 41 auf, die eine Mehrzahl von Mischblechen oder eine andere geeignete physikalische Struktur umfasst, um vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle eine innige Durchmischung des Brennstofffluids mit dem zurückgeführten Fluid zu bewirken. Auf diese Weise wird eine sehr kontrollierte Reaktion auf niedrigem Niveau an der Anode der Brennstoffzelle in einer solchen Weise bewirkt, dass jegliches signifikante Niveau an Beschädigung der Brennstoffzelle verhindert wird.Preferably, the mixing point 40 a premixing chamber 41 comprising a plurality of mixing sheets or other suitable physical structure to effect intimate mixing of the fuel fluid with the recycled fluid prior to entry into the fuel cell. In this way, a very controlled low level reaction is effected at the anode of the fuel cell in such a manner as to prevent any significant level of damage to the fuel cell.

Dies basiert auf der katalytischen Aktivität der Anodenoberfläche in der Brennstoffzelle 10, die Reaktion von Brennstoff und Oxidationsmittel in situ zu fördern. Vorausgesetzt, dass eine geregelte Dosierung des Wasserstoffs und eine gute Vormischung vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle erfolgt, werden lokale Aufheizeffekte innerhalb der Anode vermieden und es erfolgt eine gute Reaktionsverteilung, die Beschädigungen der Brennstoffzelle vermeidet.This is based on the catalytic activity of the anode surface in the fuel cell 10 to promote the reaction of fuel and oxidant in situ. Provided that a controlled dosing of the hydrogen and a good premix takes place before entering the fuel cell, local heating effects are avoided within the anode and there is a good reaction distribution, which avoids damage to the fuel cell.

Der abgemessene Wasserstoffbrennstoff kann ein wasserstoffreiches Gas aufweisen, z. B. eine Mischung aus Wasserstoff und inertem Verdünnungsfluid, was weitere Verbesserung bei der Brennstoff- und Oxidationsmittelmischung bietet.Of the Measured hydrogen fuel can be a hydrogen-rich gas have, for. A mixture of hydrogen and inert diluent fluid, what further improvement in the fuel and oxidant mixture offers.

Ähnlich der Ausführungsform von 3 können automatische Steuermittel vorgesehen sein, um zu bestimmen, wann der Rückführmodus gestartet werden muss und für wie lange, bevor in einen normalen Betriebsmodus umgeschaltet werden kann.Similar to the embodiment of 3 Automatic control means may be provided to determine when the return mode must be started and for how long before it can be switched to a normal operating mode.

Ein weiterer Aspekt des Verhinderns oder Beschränkens von Beschädigung der Membran-Elektroden-Anordnung ist es, sicherzustellen, dass der Brennstoff der Anode mit einer optimalen Temperatur und/oder Feuchtigkeit bereitgestellt wird. Während einer Anfahrphase kann die Steuerung der Temperatur und/oder Feuchtigkeit des Brennstoffs auch den Prozess des Erreichens eines optimalen Betriebszustands in der Brennstoffzelle beschleunigen.One Another aspect of preventing or limiting damage to the Membrane electrode assembly is to ensure that the fuel of the anode with a optimal temperature and / or humidity is provided. During one Start-up phase can be the control of temperature and / or humidity Fuel also the process of obtaining an optimal operating condition accelerate in the fuel cell.

Bezug nehmend jetzt auf 5 kann eine Anpassung des in Verbindung mit 3 beschriebenen Prozesses vorgenommen werden, um den Brennstofffluss durch Einführen von Wasser oder Dampf vorzukonditionieren, um die Feuchtigkeit in dem Brennstoffgasstrom zu verbessern oder aufrechtzuerhalten. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Temperatur des Brennstoffstroms ebenfalls gesteuert werden kann.Referring now to 5 can be an adaptation of in conjunction with 3 be described in order to precondition the fuel flow by introducing water or steam to the moisture in improve or maintain the fuel gas flow. Another advantage of this arrangement is that the temperature of the fuel flow can also be controlled.

Um diese Brennstoffvorkonditionierung zu erreichen, ist eine Vorkehrung getroffen, um Oxidationsmittel (z. B. Luft) in die Reaktionskammer 35 einzuführen, um willkürlich die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zum Zwecke der Erzeugung von Wasser und Wärme zu erhöhen.In order to achieve this fuel preconditioning, provision is made for introducing oxidant (eg air) into the reaction chamber 35 to arbitrarily increase the reaction of hydrogen with oxygen for the purpose of generating water and heat.

Eine Oxidationsmittelversorgungsleitung 50 ist an eine Quelle von geeignetem Oxidationsmittel angeschlossen. In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist diese Quelle bequemer Weise dieselbe Quelle von Oxidationsmittel, die zur Versorgung der Kathode verwendet wird, nämlich die Oxidationsmittelversorgungsleitung 32. Die Oxidationsmittelversorgungsleitung 50 ist daran über ein Ventil 51 angeschlossen, das auch einen Durchflussregler (nicht getrennt gezeigt) umfassen kann. Diese Systemkonfiguration kann mit oder ohne die Rückführleitung 36, die in den 3 und 4 dargestellt ist, verwendet werden.An oxidant supply line 50 is connected to a source of suitable oxidizing agent. In the preferred embodiment shown, this source is conveniently the same source of oxidant used to supply the cathode, namely the oxidant supply line 32 , The oxidant supply line 50 it's about a valve 51 connected, which may also include a flow regulator (not shown separately). This system configuration can be with or without the return line 36 that in the 3 and 4 is shown used.

Die Bereitstellung von kontrollierten Mengen von Oxidationsmittel an die Reaktionskammer 34 resultiert in eine vorgegebene Reaktionsrate von Wasserstoff und Sauerstoff in der Reaktionskammer, wodurch die Steuerung der Temperatur und Feuchtigkeit des Brennstoffgases ermöglicht wird, das der Brennstoffzelle 10 über einen Brennstoffversorgungsleitungseinlass 30 zugeführt wird (selbstverständlich angenommen, dass die Brennstoffversorgung von dem Durchflussregler 39 gegenüber dem, was durch die Oxidationsmittelversorgung benötigt wird, überschüssigen Brennstoff bereitstellt.The provision of controlled amounts of oxidant to the reaction chamber 34 results in a predetermined reaction rate of hydrogen and oxygen in the reaction chamber, thereby allowing the control of the temperature and humidity of the fuel gas, that of the fuel cell 10 via a fuel supply line inlet 30 is supplied (of course, assumed that the fuel supply from the flow regulator 39 over what is needed by the oxidant supply, provides excess fuel.

Der Strom von Wasser oder Wasserdampf zu der Brennstoffzelle 10 (und seine fortgesetzte Rückführung, wenn in Kombination mit der Rückführschleife 36 verwendet) erlaubt es durch Verwendung eines vorkonditionierten Brennstoffstroms, den Befeuchtungszustand der Membran zu steuern und auf diese Weise die Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten.The flow of water or water vapor to the fuel cell 10 (and its continued repatriation when combined with the return loop 36 by using a preconditioned fuel stream, it is possible to control the humidification state of the membrane and thus maintain conductivity.

Diese Möglichkeit ist insbesondere beim Betrieb von Brennstoffzellen vom offenen Kathodendesign nützlich, die zur Membrandehydrierung neigen, wenn sie nicht für ausgedehnte Zeiträume betrieben werden.These possibility is particularly in the operation of fuel cells from the open cathode design useful, which tend to membrane dehydration if they are not for extended periods operate.

Energie wird im Rahmen der Reaktion in der Reaktionskammer 35 freigesetzt und bietet damit die Möglichkeit, Wärme direkt der Brennstoffzelle oder irgendeinem anderen Teil des zugehörigen Systems mittels eines Wärmetauscher-/Übertragungsmechanismus zuzuführen. Dies kann insbesondere nützlich sein, wenn eine Brennstoffzelle kalt gestartet wird, wobei die schnelle Erhöhung der Temperatur eine kürzere Zeit bis zur normalen Betriebstemperatur und zur maximalen Leistungsfähigkeit sicherstellen wird. In jedem Fall stellt die Verwendung eines katalytischen Reaktors stromauf einer Brennstoffgaseinführung und/oder in einer Rückführschleife die zusätzliche Flexibilität des Steuerns der Brennstoffgasfeuchtigkeit und des Einführens von Wärme über den Gasstrom bereit.Energy is generated during the reaction in the reaction chamber 35 thus providing the opportunity to supply heat directly to the fuel cell or any other part of the associated system by means of a heat exchanger / transfer mechanism. This may be particularly useful when a fuel cell is cold-started, where the rapid increase in temperature will ensure a shorter time to normal operating temperature and maximum performance. In any case, the use of a catalytic reactor upstream of a fuel gas inlet and / or in a recycle loop provides the additional flexibility of controlling the fuel gas moisture and introducing heat across the gas stream.

Bezug nehmend auf 6 ist eine weitere Anordnung gezeigt, die sowohl die Bereitstellung, Befeuchtung und Vorerwärmung des Brennstoffstroms zu der Anode der Brennstoffzelle 10 als auch die separate Befeuchtung und Vorerwärmung des Oxidationsmittelstroms zu der Kathode der Brennstoffzelle 10 erlaubt.Referring to 6 Another arrangement is shown which includes both providing, humidifying and preheating the fuel flow to the anode of the fuel cell 10 as well as the separate humidification and preheating of the oxidant stream to the cathode of the fuel cell 10 allowed.

Bei dieser Anordnung ist der Brennstoffsystemeinlass 34 so geschlossen, dass er eine erste Reaktionskammer 35 innerhalb der Brennstoffversorgungsleitung 30 versorgt, die über eine Oxidationsmittelversorgungsleitung 50 versorgt wird. Die Oxidationsmittelversorgungsleitung 32 umfasst eine zweite Reaktionskammer 60, die durch eine Brennstoffversorgungsleitung 61 versorgt wird. Geeignete Ventile 62, 63 steuern den Fluss von Oxidationsmittel und Brennstoff zu der jeweiligen ersten und zweiten Reaktionskammer 35, 60, wobei diese Ventile auch Durchflussregler zum Variieren der Flussrate gemäß einem gewünschten Maß an Befeuchtung und/oder Vorerwärmung umfassen können.In this arrangement, the fuel system inlet 34 so closed that he has a first reaction chamber 35 within the fuel supply line 30 supplied via an oxidant supply line 50 is supplied. The oxidant supply line 32 includes a second reaction chamber 60 passing through a fuel supply line 61 is supplied. Suitable valves 62 . 63 control the flow of oxidant and fuel to the respective first and second reaction chambers 35 . 60 These valves may also include flow controllers for varying the flow rate according to a desired level of humidification and / or preheating.

Es wird verstanden werden, dass jede einzelne oder beide der ersten und zweiten Reaktionskammer unabhängig von der anderen verwendet werden können. Zusätzlich könnte das System gemäß 6 auch in Verbindung mit einer Rückführschleife verwendet werden, wie sie in Verbindung mit 3 beschrieben wird.It will be understood that each or both of the first and second reaction chambers may be used independently of the other. In addition, the system could according to 6 can also be used in conjunction with a return loop, as used in conjunction with 3 is described.

Der Vorkonditioniermodus, der in Verbindung mit 5 und 6 beschrieben wurde, kann gemäß jedem gewünschten vorherrschenden Zustand gestartet werden. Diese Zustände können einen oder mehrere der folgenden umfassen: (i) automatische Detektion, dass ein Zeitraum der Nichtverwendung der Brennstoffzelle einen vorgegebenen verstrichene Zeit-Grenzwert überschreitet; (ii) automatische Detektion, dass ein Verwendungszeitraum der Brennstoffzelle einen vorgegebene verstrichene Zeit-Grenzwert überschreitet; (iii) automatische Detektion eines Servicezustands, d. h. nach Detektion eines Brennstoffzellenwartungszustands; (iv) automatische Detektion eines vorgegebenen Temperatur- oder Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffversorgungsleitung oder Brennstoffzelle, und (v) manuelle Initiierung durch einen Benutzer.The preconditioning mode used in conjunction with 5 and 6 can be started according to any desired prevailing state. These conditions may include one or more of the following: (i) automatically detecting that a period of non-use of the fuel cell exceeds a predetermined elapsed time limit; (ii) automatically detecting that a period of use of the fuel cell exceeds a predetermined elapsed time limit; (iii) automatic detection of a service condition, ie after detection of a fuel cell maintenance condition; (iv) automatic detection of a predetermined temperature or humidity condition in the fuel supply line or fuel cell, and (v) manual initiation by a user.

Der Vorkonditionierungsbetriebsmodus kann automatisch für einen vorgegebenen Zeitraum, unbegrenzt oder automatisch fortgesetzt werden, bis ein geeigneter Temperatur- oder Feuchtigkeitszustand in der Brennstoffversorgungsleitung oder der Brennstoffzelle detektiert wird. Alternativ kann die Dauer des Vorkonditionierungsmodus manuell durch den Benutzer gesteuert werden.The preconditioning mode of operation may automatically continue for a predetermined period of time, indefinitely or automatically until a suitable temperature or humidity condition is detected in the fuel supply line or the fuel cell. Alternatively, the duration of the preconditioning mode may be manually controlled by the user.

Innerhalb der vorliegenden Beschreibung wurde der Bequemlichkeit halber die Brennstoffzelle 10 so beschrieben, dass sie nur eine einzige Anode, Membran und Kathode aufweist. Es wird jedoch verstanden werden, dass gemäß konventionellem Brennstoffzellenaufbau mehr Membran-Elektroden-Anordnungen in Reihe oder in parallel in einem Stapel verwendet werden, um die Spannungs- und/oder Stromversorgung zu erhöhen. Demgemäß umfasst die Brennstoffversorgungsleitung typischerweise eine Mehrzahl von Anodenfluidflussfeldplatten, und die Oxidationsmittelversorgungsleitung umfasst typischerweise eine Mehrzahl von Kathodenfluidflussfeldplatten. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gelten gleichermaßen für solche Membran-Elektroden-Anordnungsstapel.For the sake of convenience, within the present description, the fuel cell has become 10 is described as having only a single anode, membrane and cathode. It will be understood, however, that according to conventional fuel cell construction, more membrane-electrode assemblies are used in series or in parallel in a stack to increase the voltage and / or power supply. Accordingly, the fuel supply line typically includes a plurality of anode fluid flow field plates, and the oxidizer supply line typically includes a plurality of cathode fluid flow field plates. The principles of the present invention apply equally to such membrane electrode assembly stacks.

Die Erfindung ist bezüglich einer konventionellen MEA beschrieben worden, die eine Polymermembran aufweist. Sie ist aber auch für andere Typen von Brennstoffzellen relevant.The Invention is relative a conventional MEA containing a polymer membrane having. But she is also for other types of fuel cells relevant.

Andere Ausführungsformen bewegen sich in den beigefügten Patentansprüchen.Other embodiments move in the attached Claims.

Claims (25)

Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Ionenaustauschmembran aufweist; einer Brennstoffzuführungsleitung, welche eine Fluidströmungsfeldplatte, die einen Teil der Anode ausbildet und einen Fluidströmungskanal, der sich durch sie hindurch erstreckt, aufweist; einen Brennstoffzufuhreinlass, der an ein Ende des Fluidströmungskanals angeschlossen ist; einen Brennstoffzufuhrauslass, der an ein anderes Ende des Fluidströmungskanals angeschlossen ist; und einen Fluiddurchflussregler zum kontrollierten Variieren der Menge an Brennstoff, die einem Mischpunkt in dem Brennstoffzufuhreinlass zugeführt wird, umfasst, wobei das Brennstoffzellensystem weiterhin eine Rückführungsleitung umfasst, die sich zwischen dem Brennstoffzufuhrauslass und Mischpunkt erstreckt, wobei der Mischpunkt entweder (i) eine Reaktionskammer zum Reagieren von Brennstoff oder (ii) eine Vormischkammer zum Mischen von Brennstoff von dem Fluiddurchflussregler mit Oxidationsmittelspezies aus der Rückführungsleitung umfasst.Fuel cell system with: a fuel cell, an anode, a cathode, and an ion exchange membrane disposed therebetween having; a fuel supply line, which a Fluid flow field plate, forming a part of the anode and a fluid flow channel, having extending therethrough; a fuel supply inlet, at one end of the fluid flow channel connected; a fuel supply outlet connected to a other end of the fluid flow channel connected; and a fluid flow regulator for controlled Varying the amount of fuel that reaches a mixing point in the fuel supply inlet supplied is, comprises, wherein the fuel cell system further comprises a return line includes, extending between the fuel supply outlet and mixing point extends, wherein the mixing point either (i) a reaction chamber for reacting fuel or (ii) a premixing chamber for mixing fuel from the fluid flow regulator with oxidant species from the return line includes. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Reaktionskammer ein Katalysatormaterial umfasst.A fuel cell according to claim 1, wherein the reaction chamber a catalyst material. Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Rückführungsleitung mittels eines Zweiwegeventils schaltbar mit dem Brennstoffzufuhrauslass verbunden ist.Fuel cell according to one of the preceding claims, wherein the return line Switchable with the fuel supply outlet by means of a two-way valve connected is. Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin Detektionsmittel zum Detektieren eines Niveaus umfasst, auf dem Oxidationsmittelspezies in zumindest einem Teil der Brennstoffzufuhrleitung vorliegen.Fuel cell according to one of the preceding claims, which further comprises detection means for detecting a level, on the oxidant species in at least a portion of the fuel supply line available. Bennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei die Detektionsmittel Mittel zum Testen einer Leerlaufspannung über der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle aufweisen.Fuel cell according to claim 4, wherein the detection means Means for testing an open circuit voltage across the anode and the cathode having the fuel cell. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, die weiterhin Steuermittel zum Schalten der Brennstoffzelle zwischen einem normalen Betriebsmodus, in dem eine relativ hohe Strömungsrate an Brennstoff der Anode und an Oxidationsmittel der Kathode zugeführt wird, und einen Rückführungsmodus aufweist, in dem eine relativ niedrige Strömungsrate an Brennstoff zusammen mit Oxidationsmittel, dass über die Rückfuhrleitung zugeführt wird, der Anode zugeführt wird.A fuel cell according to claim 1, further comprising control means for switching the fuel cell between a normal operating mode, in that a relatively high flow rate is supplied to fuel of the anode and to the oxidizing agent of the cathode, and a return mode in which a relatively low flow rate of fuel is present with oxidant that over the return line supplied is supplied to the anode becomes. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, die weiterhin Steuermittel zum Schalten der Brennstoffzelle zwischen einem normalen Betriebsmodus, in dem eine relativ hohe Strömungsrate an Brennstoff der Anode und an Oxidationsmittel der Kathode zugeführt wird, und einen Rückführungsmodus aufweist, in dem eine relativ niedrige Strömungsrate an Brennstoff zusammen mit Oxidationsmittel, das über die Rückführungsleitung zugeführt wird, in die Brennstoffzufuhrleitung zugeführt wird.A fuel cell according to claim 1, further comprising control means for switching the fuel cell between a normal operating mode, in that a relatively high flow rate is supplied to fuel of the anode and to the oxidizing agent of the cathode, and a return mode in which a relatively low flow rate of fuel is present with oxidant that over the return line supplied is supplied to the fuel supply line. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, die weiterhin eine Oxidationsmittelversorgungsleitung aufweist, die sich von einer Oxidationsmittelversorgung zu dem Mischpunkt in dem Brennstoffzufuhreinlass erstreckt.A fuel cell according to claim 1, which further comprises a Oxidant supply line extending from a Oxidant supply to the mixing point in the fuel supply inlet extends. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, die weiterhin einen Oxidationsmittelströmungsregler zum kontrollierten Variieren der Menge an Oxidationsmittel aufweist, die dem Mischpunkt zugeführt wird.A fuel cell according to claim 8, further comprising a Oxidant flow regulator for controllably varying the amount of oxidizing agent, fed to the mixing point becomes. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, bei der der Oxidationsmittelströmungsregler ein Ventil aufweist, das die Oxidationsmittelversorgungsleitung an eine Kathodenoxidationsmittelversorgungsleitung anschließt.A fuel cell according to claim 9, wherein the oxidant flow regulator having a valve that contains the oxidant supply line connects to a cathode oxidant supply line. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei der Mischpunkt eine Reaktionskammer zum Reagieren von Brennstoff von dem Fluiddurchflussregler mit Oxidationsmittelspezies aus der Oxidationsmittelversorgungsleitung aufweist.The fuel cell of claim 8, wherein the mixing point comprises a reaction chamber for reacting fuel from the fluid flow regulator Having oxidant species from the oxidant supply line. Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei die Reaktionskammer ein Katalysatormaterial umfasst.A fuel cell according to claim 11, wherein the reaction chamber a catalyst material. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, die weiterhin Mittel zum Bewirken einer kontrollierten Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittelspezies innerhalb einer Kathodenströmungszufuhrleitung umfasst.A fuel cell according to claim 1, which further comprises means for effecting a controlled combustion of fuel and Oxidant species within a cathode flow supply line includes. Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei die Kathodenströmungszufuhrleitung eine Fluidströmungsfeldplatte, die einen Teil der Kathode ausbildet und einen sich durch sie hindurch erstreckenden Fluidströmungskanal aufweist; einen Oxidationsmittelzufuhreinlass, der an ein Ende des Kathodenfluidströmungskanals angeschlossen ist; und einen Abgasauslass, der an ein anderes Ende des Kathodenfluidströmungskanals angeschlossen ist, aufweist.The fuel cell of claim 13, wherein the cathode flow supply line a fluid flow field plate, which forms part of the cathode and one through it extending fluid flow channel having; an oxidant supply inlet connected to one end of the Cathode fluid flow channel connected; and an exhaust outlet which is at another end the cathode fluid flow channel is connected has. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die Mittel zum Bewirken einer kontrollierten Verbrennung innerhalb einer Kathode eine Brennstoffversorgungsleitung aufweisen, die sich von einer Brennstoffversorgung zu einem Mischpunkt in der Oxidationsmittelzufuhrleitung erstreckt.A fuel cell according to claim 14, wherein the means for effecting controlled combustion within a cathode have a fuel supply line extending from a Fuel supply to a mixing point in the oxidant supply line extends. Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei der Mischpunkt in der Oxidationsmittelzufuhrleitung eine Reaktionskammer zum Reagieren von Brennstoff aus der Brennstoffversorgungsleitung mit Oxidationsmittelspezies aus der Oxidationsmittelversorgung aufweist.A fuel cell according to claim 15, wherein the mixing point in the oxidant supply line, a reaction chamber for reacting fuel from the fuel supply line with oxidizer species from the oxidant supply. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das weiterhin Steuermittel zum kontrollierten Variieren der Strömungsrate des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels umfasst, um ein, vorbestimmtes Maß an Befeuchtung des Brennstoffstroms zu erreichen, der der Anode zugeführt wird.The fuel cell system of claim 1, further Control means for controlled variation of the flow rate of the fuel and / or the oxidizing agent in order to predetermined level To achieve humidification of the fuel flow, which is supplied to the anode. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das weiterhin Steuermittelmittel zum kontrollierten Variieren der Strömungsrate des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels umfasst, um ein vorgegebenes Maß an Vorerwärmung des Brennstoffstroms zu erreichen, der der Anode zugeführt wird.The fuel cell system of claim 1, further Control means for controllably varying the flow rate of the fuel and / or the oxidizing agent to a predetermined Measure preheating reach the fuel flow, which is supplied to the anode. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Ionenaustauschmembran, das die Schritte aufweist: Zuführen von Brennstoff aus einer Brennstoffquelle an einen aktiven Oberflächenbereich der Anode mittels einer Brennstoffzuführleitung; Rückführen von Fluid innerhalb der Fluidzufuhrleitung an einen Mischpunkt stromauf des aktiven Oberflächenbereichs der Anode; Bewirken einer kontrollierten Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittelspezies innerhalb der Brennstoffzufuhrleitung an dem Mischpunkt in einer Reaktionskammer.Method for operating a fuel cell with an anode, a cathode, and an ion exchange membrane interposed therebetween, which has the steps: Feeding fuel from one Fuel source to an active surface area of the anode by means of a fuel supply line; Returning from Fluid within the fluid supply line to a mixing point upstream of the active surface area the anode; Effecting a controlled combustion of fuel and oxidant species within the fuel supply line at the mixing point in a reaction chamber. Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin den Schritt des kontrollierten Variierens der Menge an Brennstoff umfasst, der dem Mischpunkt zugeführt wird.The method of claim 19, further comprising the step Controlled variation of the amount of fuel includes supplied to the mixing point becomes. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, das weiterhin den Schritt des Detektierens eines Niveaus, auf dem Oxidationsmittelspezies in mindestens einem Teil der Brennstoffzufuhrleitung vorliegen, aufweist.The method of claim 19 or 20, further the step of detecting a level on the oxidant species present in at least part of the fuel supply line has. Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin die Schritte des Schaltens der Brennstoffzelle zwischen einem normalen Betriebsmodus, in dem eine relativ hohe Strömungsrate an Brennstoff der Anode und an Oxidationsmittel der Kathode zugeführt wird, und einem Rückführungsmodus aufweist, in dem eine relativ niedrige Strömungsrate an Brennstoff zusammen mit Oxidationsmittel, das in dem Rückführungsfluid zugeführt wird, der Anode zugeführt wird.The method of claim 19, further comprising the steps switching the fuel cell between a normal operating mode, in that a relatively high flow rate is supplied to fuel of the anode and to the oxidizing agent of the cathode, and a return mode in which a relatively low flow rate of fuel is present with oxidant supplied in the recycle fluid, supplied to the anode becomes. Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin die Schritte des Schaltens der Brennstoffzelle zwischen einem normalen Betriebsmodus, in dem eine relativ hohe Strömungsrate an Brennstoff der Anode und an Oxidationsmittel der Kathode zugeführt wird, und einem Rückführungsmodus umfasst, in dem eine relativ niedrige Strömungsrate an Brennstoff zusammen mit Oxidationsmittel, das in dem Rückführungsfluid zugeführt wird, in die Brennstoffzufuhrleitung zugeführt wird.The method of claim 19, further comprising the steps switching the fuel cell between a normal operating mode, in that a relatively high flow rate is supplied to fuel of the anode and to the oxidizing agent of the cathode, and a return mode includes, in which a relatively low flow rate of fuel together with oxidant supplied in the recycle fluid, is fed into the fuel supply line. Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin den Schritt des Steuerns der Strömungsrate des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels umfasst, um ein vorgegebenes Maß an Befeuchtung des Brennstoffsstroms zu erreichen, der der Anode zugeführt wird.The method of claim 19, further comprising the step controlling the flow rate of the fuel and / or the oxidizing agent to a predetermined Measure To achieve humidification of the fuel flow, which is supplied to the anode. Verfahren nach Anspruch 19, das weiterhin den Schritt des Steuerns der Strömungsrate des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels umfasst, um ein vorgegebenes Maß an Vorerwärmung des Brennstoffstroms zu erreichen, der der Anode zugeführt wird.The method of claim 19, further comprising the step controlling the flow rate of the fuel and / or the oxidizing agent to a predetermined Measure preheating reach the fuel flow, which is supplied to the anode.
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